電動汽車低速提示音系統(tǒng)測試分析

馬 可，陳 煜，李孟員

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022；2.江蘇省特種機(jī)器人技術(shù)重點實驗室，江蘇常州213022）

純電動汽車以低于20 km/h的車速行駛時，車外噪聲平均比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車低10分貝左右，使得道路的其他使用者不容易察覺到車輛的接近，容易導(dǎo)致發(fā)生交通事故[1]。為解決此問題，國際上近年來的研究一致傾向于在安靜行駛的車輛上配備一種能夠在低速時發(fā)出提示音的系統(tǒng)，旨在提醒前方行人正有車輛向他們靠近，做好避讓準(zhǔn)備，以此來減小與行人發(fā)生交通事故的概率[2]。

2009年日本某機(jī)構(gòu)研究表明，車輛的提示音系統(tǒng)對于幫助行人或者有視力障礙的人士辨識出低速行駛的電動汽車或混合動力汽車有著重要作用[3]。2011年美國頒布了法案要求有關(guān)部門制定一項美國聯(lián)邦機(jī)動車輛安全標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)對純電動汽車和混合動力汽車安裝低速提示音有了明確規(guī)定[4]。2016年聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會發(fā)布了《電動汽車在低速行駛時與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛需發(fā)出同等音量聲音的安全標(biāo)準(zhǔn)》，明確規(guī)定電動汽車需要安裝低速提示音裝置，這是為了保證行人尤其是一些行動不便或者患有視覺障礙的人士的安全[5]。國內(nèi)從2010年開始了電動汽車低速提示音相關(guān)的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的研究，主要涉及提示音工作時的車速范圍、聲級限值、頻率要求、聲音類型要求和試驗方法等[6]，如中國汽車技術(shù)研究中心有限公司陸春等分析了電動汽車低速提示音的聲學(xué)特性和技術(shù)要求[7]。

在建立標(biāo)準(zhǔn)方面，GB/T28382－2012《純電動乘用車技術(shù)條件》中對電動車配備低速提示音系統(tǒng)進(jìn)行了定性要求[8]；本文從聲音的傳遞路徑角度出發(fā)，針對國內(nèi)某型自主生產(chǎn)的純電動汽車，依據(jù)GB/T 37153－2018《電動汽車低速提示音》中有關(guān)規(guī)定對其進(jìn)行低速提示音的研究。主要包括其提示音對車外行人的警示效果是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而起到在行駛時提示行人的作用并且也不至于產(chǎn)生過大的噪聲，當(dāng)不滿足標(biāo)準(zhǔn)時通過一些改變聲音傳遞路徑的方法來進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 主要測試參數(shù)

在GB/T 37153－2018《電動汽車低速提示音》中，對電動汽車低速提示音主要的有關(guān)規(guī)定如下：

1.1 車輛聲級試驗

車輛聲級試驗中傳聲器的位置應(yīng)處于圖1所示的PP′線上，其到CC′線之間的距離為2.0 m±0.05 m。傳聲器應(yīng)布置于水平面以上高1.2 m±0.02 m處，其應(yīng)當(dāng)與水平面平行，并且指向與車輛的中軸線（圖1中的CC′線）垂直。

圖1 傳聲器的位置

1.2 聲級限值及頻率要求

依據(jù)規(guī)定的測量方法獲得的電動汽車車外噪聲應(yīng)當(dāng)在其所包含的各個1/3倍頻程上，其中在至少兩個1/3倍頻程上不小于表1中所規(guī)定的聲級，且同時滿足表1 中對其總聲級的要求。這兩個1/3 倍頻程的最小聲級不得低于表1中所要求的對應(yīng)的聲級限值且至少有一個1/3倍頻程在1 600 Hz（含）以下。

表1 最低聲級限值/dB(A)

由于頻移不是本研究重點，因此未作頻移說明。

2 車輛初始狀態(tài)測試

本測試所用車輛為國內(nèi)某型已上市的純電動汽車，其所用的低速提示音系統(tǒng)由漢德利（常州）電子股份有限公司生產(chǎn)，其會在車輛速度低于20 km/h時發(fā)出提示音。

測試目的是收集試驗車輛（初始狀態(tài)）在低速行駛并且開啟低速提示音時的車外聲級有關(guān)參數(shù)，包括聲級以及1/3倍頻程圖。

2.1 測試方法

2.1.1 測試設(shè)備及測試環(huán)境

本測試作為一種聲學(xué)試驗，用到的設(shè)備主要有測試用傳聲器（麥克風(fēng)）和多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包括多通道數(shù)據(jù)采集前端和測試軟件），測試環(huán)境為整車四驅(qū)轉(zhuǎn)轂半消聲室。

2.1.2 測試工況及測點

（1）D檔（前進(jìn)檔）：在整車四驅(qū)轉(zhuǎn)轂半消聲室的四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上，測試車輛分別以10 km/h和20 km/h的速度勻速行駛；

（2）R檔(倒車檔)：在整車四驅(qū)轉(zhuǎn)轂實驗室的四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上，測試車輛以6 km/h的速度勻速行駛；

（3）測點：車外前艙左側(cè)和右側(cè)各布置一個測點，如圖2所示。

圖2 車外測點

2.1.3 測試步驟

（1）將試驗車輛置于整車半消聲室的四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上；

（2）按照要求將傳聲器布置到相應(yīng)的測點上，利用信號傳輸線連接傳聲器、多通道數(shù)據(jù)采集前端和計算機(jī)；

（3）在計算機(jī)上對測試軟件進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，利用測試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

倒檔測試的步驟與前進(jìn)檔一致，不同點在于需要在車后左右布置麥克風(fēng)，如圖3所示。

圖3 倒檔測試

2.2 測試結(jié)果分析

圖4 為車輛處于原始狀態(tài)時車外各工況的1/3倍頻程聲級和總聲級柱狀圖。其中橫坐標(biāo)為1/3 倍頻程頻率，范圍是表1 中規(guī)定的160 Hz～5 000 Hz，縱坐標(biāo)為各頻率上的聲級，最右側(cè)兩個柱從左至右分別為左測點總聲級和右測點總聲級。從圖4(a)中可以看出，在車速為10 km/h時，只有一個1/3倍頻程（中心頻率為200 Hz 頻段）的車外左測點和右測點聲級同時高于目標(biāo)線，不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。對于總聲級，左測點總聲級為56.43 dB(A)，但右測點總聲級為51.97 dB(A)，小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的52.00 dB(A)。從圖4(b)中可以看出，在車速為20 km/h時，未達(dá)到1/3 倍頻程的車外左測點和右測點聲級同時高于目標(biāo)線，不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。而對于總聲級，左測點為60.91 dB(A)，右測點為61.11 dB(A)，符合標(biāo)準(zhǔn)中58 .00 dB(A)的最小規(guī)定。從圖4(c)中可以看出，在車速為R檔（倒檔）6 km/h時，車外左測點總聲級為49.61 dB(A)，右測點總聲級為55.55 dB(A)，均符合標(biāo)準(zhǔn)中49.00 dB(A)的最小規(guī)定。

圖4 車外各工況下1/3倍頻程聲級圖

3 低速提示音優(yōu)化試驗

從上文的測試結(jié)果可以看出，該測試車車外聲級1/3倍頻程存在不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求的情況，因此將從低速提示音傳遞路徑的角度考慮，試圖通過一定的優(yōu)化手段，改變傳遞路徑，從而使其低速提示音符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.1 更改音源位置試驗

3.1.1 試驗原理

從能量的角度來分析，聲音在介質(zhì)中的傳遞時，其聲能會逐漸減小，該過程被稱為聲能衰減。造成聲能衰減的因素有很多，比如由于聲音傳遞范圍的增大而導(dǎo)致的幾何擴(kuò)散衰減、空氣吸收而導(dǎo)致的吸收衰減以及壁面或構(gòu)筑物等因素而導(dǎo)致的其它衰減。根據(jù)聲學(xué)有關(guān)理論，半自由聲場中到聲源的距離不同，其聲級也會不同，且距離越遠(yuǎn)，其聲級下降越明顯[9]。由于本研究是在半消聲室環(huán)境中進(jìn)行，可以認(rèn)為是處于半自由聲場中，因此考慮到與聲源的距離不同的位置處，低速提示音對車外行人的影響可能會發(fā)生改變，所以進(jìn)行更改音源位置的試驗，以探求其不同位置時發(fā)出的聲音對車內(nèi)外人員的影響。

3.1.2 位置方案

從聲音的傳播路徑來看，音源越靠近前保險杠，其傳遞到車外的路徑上的阻礙越少，傳遞到車內(nèi)的路徑上的阻礙越多，這樣可以盡可能保證音源對車外影響大，對車內(nèi)影響小。因此音源放置的位置盡可能靠近前保險杠，本文所用試驗車輛在初始狀態(tài)下的音源位于前艙保險杠右端車燈下方部位，如圖5(a)所示。選取以下3 個位置進(jìn)行試驗：車前保險杠右端（初始狀態(tài)）、中間以及左端（與右端對稱），這3個位置位于同一水平線上且相鄰兩個位置的間距相等，如圖5(b)所示。

圖5 音源初始位置及位置方案

3.2 護(hù)板開孔試驗

3.2.1 試驗原理

在汽車行業(yè)中，降低噪聲常用到的方法是隔聲，即利用隔聲材料來阻檔或減少聲音的傳遞路徑。材料的隔聲能力以隔聲量大小來度量，一般以從材料一側(cè)的入射能和另一側(cè)的透射能的差值來當(dāng)作材料的隔聲量，該差值越大表明隔絕噪聲的效果越好。

由隔聲量相關(guān)理論可知，當(dāng)材料上的孔洞面積是整個結(jié)構(gòu)面積的1%時，雖然假定結(jié)構(gòu)材料的傳聲系數(shù)為0，但此時由于孔洞的存在，車身結(jié)構(gòu)的隔聲量也只有20 dB；而當(dāng)孔洞面積是整個結(jié)構(gòu)面積的10%時，車身結(jié)構(gòu)的隔聲量為10 dB。所以，當(dāng)車輛存在孔洞和縫隙時能夠在一定程度上改變結(jié)構(gòu)的隔聲量[10]。根據(jù)以上分析，從減小隔聲的角度考慮設(shè)計開孔試驗。

3.2.2 開孔方案

本方案選擇開孔位置為音源下方底護(hù)板，音源的尺寸長和寬均為77 mm，開孔時考慮孔應(yīng)覆蓋其出音口面積，且應(yīng)盡量減小對底護(hù)板的破壞，因此設(shè)計的開孔為多個連續(xù)矩形孔。其尺寸為：長80 mm，寬20 mm，相鄰兩個孔之間的間距為10 mm，總共開4個孔，如圖6所示。

圖6 開孔方案示意圖

在完成開孔操作后，進(jìn)一步分析音源朝向。試驗車輛初始狀態(tài)下的音源出音口朝向是面向車輛正前方，其發(fā)出的聲音會直接傳遞到向前保險杠，而保險杠具有一定的隔聲量，所以聲音碰到保險杠時可能會發(fā)生衰減，因此考慮改變音源朝向。

音源初始朝向如圖7(a)所示，更改后的朝向如圖7(b)所示。

圖7 音源朝向

4 測試結(jié)果分析

4.1 音源位置試驗結(jié)果分析

試驗車輛在初始狀態(tài)下的音源位于右端車燈下方部位，其試驗結(jié)果如圖4 所示。進(jìn)行更改音源位置試驗時，則將音源位置設(shè)置在前艙保險杠中間以及左端車燈下方部位。

4.1.1 音源置于中間位置

圖8所示為將音源放置于前保險杠中間位置時車外各工況下的1/3倍頻程聲級圖。

從圖8(a)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔10 km/h時，只有一個1/3 倍頻程（中心頻率為200 Hz 頻段）的車外左測點和右測點聲級同時高于目標(biāo)線，此結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。但對于總聲級而言，左測點聲級為56.40 dB(A)，右測點聲級為53.14 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的52.00 dB(A)。

從圖8(b)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔20 km/h時，并不存在某個1/3倍頻程的車外左測點和右測點聲級同時高于目標(biāo)線，此結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。但對于總聲級而言，左測點聲級為61.45 dB(A)，右測點聲級為61.21 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的58.00 dB(A)。

從圖8(c)中可以看出，在車速為倒檔6 km/h時，對于總聲級而言，左測點聲級為48.49 dB(A)，右測點聲級為54.91 dB(A)，前者不滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的49.00 dB(A)，但后者滿足要求。

4.1.2 音源置于左端位置

圖9所示為將音源放置于前保險杠左端位置時車外各工況下的1/3倍頻程聲級圖。

從圖9(a)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔10 km/h時，只有一個1/3 倍頻程（中心頻率為200 Hz 頻段）的車外左測點和右測點聲級同時高于目標(biāo)線，此結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。但對于總聲級而言，左測點聲級為56.66 dB(A)，右測點聲級為52.53 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的52.00 dB(A)。

從圖9(b)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔20 km/h時，只有一個1/3 倍頻程（中心頻率250 Hz 頻段）的車外左測點和右測點聲級同時高于目標(biāo)線，此結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。但對于總聲級而言，左測點聲級為61.10 dB(A)，右測點聲級為60.89 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的58.00 dB(A)。

從圖9(c)中可以看出，在車速為倒檔6 km/h時，對于總聲級而言，左測點聲級為47.09 dB(A)，右測點聲級為54.52 dB(A)，前者不滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的49.00 dB(A)，但后者滿足要求。

為方便分析，現(xiàn)將音源置于不同位置時的數(shù)據(jù)整理成表2，從圖8、圖9 和表2 中結(jié)果對比來看，音源放置在不同位置時，各工況下車外測點的1/3倍頻程聲級圖均沒有過標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)線，并且左右測點的總聲級在數(shù)值上相差不大，說明低速提示音對車外行人的影響與音源在前艙的位置并無太大的關(guān)聯(lián)，即改變音源位置無法增強(qiáng)低速提示音的提示作用。

圖8 音源置于中間時車外各工況下1/3倍頻程聲級圖

圖9 音源置于左端時車外各工況下1/3倍頻程聲級圖

表2 音源位于不同位置時的總聲級匯總/dB(A)

4.2 護(hù)板開孔試驗結(jié)果分析

圖10 所示為在底護(hù)板開孔時車外各工況下的1/3倍頻程聲級圖。

從圖10(a)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔10 km/h時，有兩個1/3倍頻程（中心頻率為200 Hz頻段和250 Hz頻段，均低于1 600 Hz）的車外左測點和右測點聲級同時高于目標(biāo)線，此結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。另外對于總聲級而言，左測點聲級為56.77 dB(A)，右測點聲級為53.55 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的52.00 dB(A)。

圖10 底護(hù)板開孔時車外各工況下1/3倍頻程聲級圖

從圖10(b)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔20 km/h時，有兩個1/3倍頻程（中心頻率為250 Hz頻段和315 Hz頻段，均低于1 600 Hz）的車外左測點和右測點聲級同時高于目標(biāo)線，此結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。另外對于總聲級而言，左測點聲級為61.25 dB(A)，右測點聲級為60.95 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的58.00 dB(A)。

從圖10(c)中可以看出，在車速為倒檔6 km/h時，對于總聲級而言，左測點聲級為50.65 dB(A)，右測點聲級為55.63 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級所要求的49.00 dB(A)。

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，經(jīng)過開孔操作后車外各測點在各工況下的1/3 倍頻程聲級均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，并且從整體上來看車外測點的聲級相比于初始狀態(tài)有一定的增大。因此可以認(rèn)為底護(hù)板開孔（包含改變音源朝向）操作能增強(qiáng)低速提示音對車外人員的影響。

5 結(jié)語

（1）確定試驗工況以及測點，在整車四驅(qū)轉(zhuǎn)轂半消聲室中對試驗車輛進(jìn)行初始狀態(tài)下的測試，獲取其車外有關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)。將車外數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)中的要求對比，發(fā)現(xiàn)其1/3倍頻程聲級圖中的數(shù)據(jù)并不滿足規(guī)定（達(dá)不到表1中的要求）。

（2）根據(jù)相關(guān)原理分別設(shè)計了更改音源位置試驗和護(hù)板開孔試驗。對于更改音源位置試驗，設(shè)計的3 個位置為車前保險杠右端（初始狀態(tài)）、中間以及左端（與右端對稱）。

（3）位置試驗的測試結(jié)果表明音源放置于不同的位置對低速提示音的影響并不明顯（如車速為10 km/h 時車外左側(cè)點的聲級均在56 dB～57 dB）。對于護(hù)板開孔試驗（包含改變音源朝向），各工況下車外測點的1/3倍頻程聲級圖均通過了目標(biāo)線，從整體上來看各左右測點的總聲級在數(shù)值上相比于車輛初始狀態(tài)有一定的增大（如車速為10 km/h時車外右測點為53.55 dB，大于初始的51.97 dB）。因此認(rèn)為相比于原狀態(tài)，底護(hù)板開孔且音源朝下對增強(qiáng)試驗車輛低速提示音的影響效果更好。